滚动轴承故障诊断的实验研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 滚动轴承故障诊断的实验研究　文章编号：１００６—１３５５（２００８）０３—００７１—０３　７１　滚动轴承故障诊断的实验研究　林玮，方开翔　（江苏科技大学机械动力工程学院，江苏镇江２１２００３）　摘要：滚动轴承故障诊断的方法有多种，并且各有其适用场合。本文结合实验对滚动轴承三种典型故障（内　圈裂纹、外圈裂纹、滚动体裂纹）的振动信号进行了研究分析，分别应用了功率谱分析和倒频谱分析技术。实验证　明，在滚动轴承故障诊断中，倒频谱分析比功率谱分析更加切实可行，具有实用价值。本文还对三种故障轴承的噪　声进行了比较，对滚动轴承故障诊断具有一定的参考意义。　关键词：振动与波；滚动轴承；故障诊断；倒频谱；噪声　中图分类号：ＴＰ８０６；ＴＨＩ６５　．３　文献标识码：Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｆａｕｌｔ　Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｏｆ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ＬＩＮ　Ｗｅｉ。ＦＡＮＧ　Ｋａｉ—ｘｉａｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２　１　２００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｆｏｒ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｅａｒｉｎｇ　ａｒｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｏｃｃａｓｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　ｃｅｐｓｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ　ｔｏ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｆａｕｌｔｓ　ｏｆ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｘｐｅｒｉ—　ｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｃｅｐｓｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｔｈａｎ　ｐｏｗｅｒ　ｓｐｅｃｔｕｍ　ａｎａｌ—　ｒｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｏｆ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｅａｒｉｎｇ．Ａｌｓｏ，ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｍａｄｅ　ａｍｏｎｇ　ｎｏｉｓｅｓ　ｄｅｔｅｃｔｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｆａｕｌｔ　ｂｅａｒｉｎｇｓ，ｗｈｉｃｈ　ｇｉｖｅｓ　ｓｏｍｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｏｆ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｅａｒｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗａｖｅ；ｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｅａｒｉｎｇ；ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｃｅｐｓｔｒｕｍ；ｎｏｉｓｅ　滚动轴承故障诊断技术有多种，有振动诊断技　术，油样分析技术，油膜电阻诊断技术，温度诊断技　倒频谱分析也称为二次频谱分析，是近代信号　处理中的一项新技术，是检测复杂谱图中周期分量　的有效工具。它是在１９６３年被Ｂｏｇｅｒｔ、Ｈｅａｌｙ和　Ｔｕｋｅｙ提出的。它是同态系统理论的基础，专门处　术，声发射技术，声音检测技术等等。这些适用于检　测滚动轴承故障的方法，各有其特点，其中以振动信　号分析法相对简单，已在实际工程中得到了极为广　泛的应用　Ｊ。本文结合实验，对三种典型故障（内　圈裂纹、外圈裂纹、滚动体裂纹）的振动信号和噪声　进行了研究。　理通过卷积组合在一起的信号。倒谱变换技术还在　地震信号和声纳信号的处理领域得到了成功的应　用。倒频谱是对信号　（　）作进一步的谱分析而得　到的，用Ｃ　（　）表示，即　Ｃ　（　）＝ｌ　Ｆ｛ｌｏｇＳ　（　｝ｌ　工程上常用其开方，称为倒频率，即　（１）　１滚动轴承振动信号分析方法　滚动轴承故障的频谱识别主要有：基频识别；谐　频识别；边频识别。　实际上，在滚动轴承振动频谱分析中，由于实验　台结构比较复杂，其它结构固有频率干扰，实际测量　ｃ。（　）＝，／ｃ　（　）＝Ｉ　｛ｌｏｇＳ　（ｆ）｝ｌ　（２）　其中：Ｆ｛｝为Ｆｏｕｒｉｅｒ变换；　为时间变量。　它将信号变换到倒频域，与相关函数的区别在　于倒频谱分析需要对信号取对数，取对数的意义包　括以下两点：（１）扩大频谱的动态范围，提高再变换　的频谱信号非常微弱，故障信号淹没在噪声中，故障　特征并不明显。所以很难简单地依靠傅立叶变换　（ＦＦｒＩ１）或者细化谱（ＺＯＯＭ）技术把混杂的周期分量　分辨出来。而利用倒频谱分析则可把边带信号分离　出来，使在功率谱中难以分辨的周期分量在倒频谱　图中变为离散的线谱，极易识别其变化和特点。　收稿日期：２００７－０８－３０　的精度。（２）测得的信号　（ｔ）受到了传递途径和振　源的共同影响，由于取对数具有解卷积的作用，能分　离和提取目标信号。　２　实验设计　图１是使用的实验台。实验台以一台可调速电　动机通过皮带带动主轴旋转，轴的另一端是轴承的　作者简介：林玮（１９８３一），男，湖南衡阳人，硕士研究生，研究方向　振动噪声控制。　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８年６月　噪声与振动控制　第３期　位置，轴承箱上有加载弹簧。　图１实验使用的实验台　图２测点布置　图２是测点的布置。在轴承座的正上方布置了　一个振动测点。把压电加速度传感器钡４得的信号经　过放大接到信号分析仪（ＣＦ．５２２０）中进行分析。在　沿主轴水平正前方４５度，离轴承位置０．５ｍ处进行　噪声测试。　实验对每种故障轴承在不同的转速下的振动信　号和噪声进行｝贝４试分析，分五个不同的转速，分别为　２８１ｒ／ｍｉｎ，５６２ｒ／ｍｉｎ，８４３ｒ／ｍｉｎ，１１２５ｒ／ｍｉｎ，１４０６ｒ！　ｍｉｎ。在进行振动信号分析时，取了三个分析带宽，　分别为６４０Ｈｚ，ｌＯ００Ｈｚ，ｌＯｋＨｚ。　３实验分析　３．１振动信号分析　同一故障轴承在不同ｉ见０试工况下的测试结果基　本一致，本文以转速为８４３ｒ／ｒａｉｎ时’ｉ贝０得的振动信号　为例进行分析，其技术参数如下：电机转速ｎ＝８４３ｒ！　ｍｉｎ，轴频ｆ０　１４．０６Ｈｚ；轴承参数：外径Ｄ＝５２ｍｍ，内　径ｄ＝２５ｒａｍ，宽度Ｂ＝１５ｒａｍ，Ｄ。　＝３６．５ｍｍ，Ｚ＝１３　个，ｄ　＝７ｍｍ，ｐ＝０。。按理论公式计算得内圈裂纹故　障频率为１０８．８Ｈｚ，外圈裂纹故障频率为７３．７１Ｈｚ，滚　珠裂纹故障频率为３５．３１　Ｈｚ，保持架对内圈通过频率　为５．６７Ｈｚ，保持架对外圈通过频率为８．３７Ｈｚ。由以　上理论计算可知，各特征频率都比较低，所以取分析　带宽为６４０Ｈｚ的信号进行分析。　图３为内圈裂纹功率谱图，图４为内圈裂纹的倒　频谱图。从图３中很容易可以发现１４．４Ｈｚ这一尖　峰，为轴频，除此之外找不到其它明显的特征频率。　从图４上可以很清晰地找到，在倒频率下＝０．００９１处　有一尖峰，对应频率为ｆ＝１／Ｔ＝１０８．８Ｈｚ，跟理论计算　值１０８．８Ｈｚ吻合，为内圈故障频率。在倒频率　＝０．　０６８４处有一尖峰，对应频率为ｆ＝１／ｒ＝１４．６１Ｈｚ，接近　轴频１４．０６Ｈｚ，为轴频。在倒频率下＝０．１３６１处有一　尖峰，对应频率为ｆ＝１／ｒ＝７．３５１Ｈｚ，接近计算的保持　架对外圈通过频率８．３７Ｈｚ，据推为保持架对外圈通　过频率。在倒频率下＝０．２０４４处有一尖峰，对应频率　为，＝１／ｒ＝４．８９Ｈｚ，接近计算的保持架过内圈频率　５．６７Ｈｚ，推测为保持架过内圈频率。　内圈裂纹　Ｏ　一２０　曼＿４０　翟一６０　Ｊ　ＪＩ．１　Ｊ－山……Ｌ　▲　－Ｉ．　．　。　—８Ｏ　．　＿＾．，　’一’…　’一＿…’　－１００　频率ｆ／Ｒｚ　图３内圈裂纹功率谱图　图５为外圈裂纹功率谱图，图６为外圈裂纹的　倒频谱图。从图５中可以看出，在２８．８Ｈｚ，４２．４Ｈｚ　等处有尖峰，为Ｘ倍轴频，除此之外找不到其它明显　的特征频率。从图６可以很清晰地找到，在下＝　０．０１４０处有一尖峰，对应频率为ｆ＝１／ｒ＝７１．４２Ｈｚ，　比较接近理论计算值７３．７１，为外圈故障频率。　图７为滚珠裂纹功率谱图，图８为滚珠裂纹的　倒频谱图。从图７中很容易看出，除轴频１４．４Ｈｚ这　一尖峰外，无其它明显的特征频率。从图８中可以　找到尖峰处下＝０．０２９９，对应频率ｆ＝１／ｒ＝　３３．４４Ｈｚ，很接近于滚珠裂纹故障频率的理论计算　值３５．３１Ｈｚ。　３．２噪声分析　实验对三种故障轴承和正常轴承在不同转速下　的噪声进行了测量，并将其分贝（ｄＢ）值描在一张图　上，如图９所示。从图中可以发现内圈裂纹轴承在　不同的转速下的噪声最大，且随着转速的升高，其　ｄＢ值增大最快，在转速达到１４０６ｒ／ｍｉｎ时噪声达到　８３．６ｄＢ，比滚珠故障轴承的噪声高８．５ｄＢ，比外圈故　障轴承噪声高９．１ｄＢ，比正常轴承噪声高１０．５ｄＢ。　图１０是各故障轴承和正常轴承在１４０６ｒ／ｍｉｎ　转速下噪声的１／３倍频程图，同样从图中可以看出　内圈的噪声最大，其次就是滚珠故障轴承和外圈故　障轴承。　４　结语　本文对滚动轴承的三种典型故障（内圈裂纹、　外圈裂纹、滚动体裂纹）的振动信号功率谱和倒频　维普资讯 http://www.cqvip.com 滚动轴承故障诊断的实验研究　内圈裂纹　２　７３　１　胄０　ｌ　Ｉ　１　ｕ．一・　．Ｌ　．一．　．ＩＪ【ＬＬ　．　．＾．．．．一．　ＪＩ　．１　…一Ｉ．　～　一ｌ『’…’　’“　’’　’——’　’　’一’。。。…一’’’’　’…一…’一　’一’’　’—”　…　’　０　０．０２　０．０５　０．０７　０．０９　０．１ｌ　０．１４　０．１６　０．１８　０．２　０．２３　０．２５　０．２７　０．２９　０．３２　０．３４　０．３６　０．３８　０．４１　０．４３　０．４５　０．４７　－２　倒频率Ｔ／ｓ　图４内圈裂纹倒频谱图　外圈裂纹　Ｏ　一●———　一＝　一　簟　一　∞一２０　一４０　翟一６０　－‘．Ｉ　ｉ　．．Ｉ．ＬＪ．▲Ｉ．　’　…’　．．－　ｈｕ‘＾－Ｊ　ＩＩｌ＾Ｉｌ－．．．—．　Ｉ－＿一　……～　８０　１００　－∞∞伯∞∞∞∞∞　０　０　４７．２　９４．４１４２　１８９　２３６　２８３　３３０　３７８　４２５　４７２　５１９　５６６　６１４　频率ｆ／Ｈｚ　２８１　５６２　８４３　ｌ１２５　１４０６　图５外圈裂纹功率谱图　外圈裂纹　２　１　—．一－正常　转速／（ｒ／ｍｉｎ）　■　内圈—●．＿－滚珠…●・－外圈　图９不同转速下的轴承噪声　１／３倍频程　兽０　—．１　ＩＩ　－Ｊ　．．Ｊ～１．▲　－．　．Ｉ．．　一．．Ｌ．　一　Ｉ『＿．　……一一…………　’。一　．２　ｏ　ｏ．０３　ｏ．ｏ０ｏ．０９０．１２ｏ．１５ｏ．１８ｏ．２１ｏ．２４　ｏ．２７　ｏ．３　ｏ、３３ｏ．３０ｏ．３９ｏ．４２０，４５　ｏ．４８　兽　倒频率ｘ／ｍｓ　图６外圈裂纹倒谱图　滚珠裂纹　Ｏ　一２５　０３　１００　４００　Ｈｚ　１０００　２５００　０３００　一正常　■外圈　■滚珠　口外圈　２０　４０　图１Ｏ轴承噪声的１／３倍频程　Ｉ－　．Ｉ・▲』．　，　ＬＪＪ．－Ｉ—＾＾—●‘　．ＬＩ一．．．－Ｌ—　’’－。　一　’　。　＇．Ｔ　一”　－霎一６０　－比功率谱分析更加切实可行，具有实用价值。另外，　在各种转速下，内圈有裂纹时轴承的噪声最大，其次　８０　１００　．■　—０　４４　８８　１３２　１７６　２２０　２６４　３０８　３５２　３９６　４４０　４８４　５２８　５７２　６１６　频率ｆ／Ｈｚ　就是滚珠故障轴承和外圈故障轴承，这为滚动轴承　的故障诊断提供了一定的参考。　参考文献：　［１］李洪，曲中谦．实用轴承手册［Ｍ］．北京：机械工业出　版社，２００１．　图７滚球裂纹功率谱图　滚珠裂纹　２　１　Ｌ止．Ｌ。●　．．．Ｊ．Ｌ　．上．▲．Ｌ．　…．Ｊ‘　．．．．．．…一．一　．　．　．　胃。　一Ｌｒ　’　Ｔ一　………　刚　２　１　…一…’一…一……’　［２］　张文苑．滚动轴承故障的倒频谱分［Ｊ］．河北科技大学　学报，２００１（１）：３１３７．　０　０２　ｏ５　∞　ｎ　１４　１６　１８　２　２３　２５　２７　四　３２　３哇　３６　３８　４１　ｎ４３　蝤　４７　倒频率　ｓ　［３］　廖伯瑜．机械故障诊断基础［Ｍ］．北京冶金工业出版　社，２００２．　图８滚球裂纹倒频谱图　［４］　牛立勇，关惠玲．细化和倒谱分析在坦克齿轮箱故障　谱做了比较分析，倒频谱能将主要的信息从复杂的　频率成分和噪声中识别出来，能较好地辨别出故障　特征频率和其它特征频率。而在功率谱图上，信号　非常地弱，淹没在噪声信号中，很难进行特征频率识　别。实验证明，在滚动轴承故障诊断中，倒频谱分析　诊断中的应用［Ｊ］．郑州大学学报（工学版），２００３，２４　（３）：９５—９７．　［５］　汀久根，章维明．滚动轴承噪声的分析［Ｊ］．轴承，２００５　（９）：３９—４２．